APOSTILA TEC VÁCUO

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TÉCNICAS COM VÁCUO 1 
 
 Paulo Cesar Ocheuze Trivelin 
 Prof. Associado - CENA/USP 
 José Albertino Bendassolli 
 Prof. Associado – CENA/USP 
 
 
A palavra vácuo pode indicar a idéia de espaço vazio, sem a presença de moléculas 
ou átomos. Mas na realidade, para um determinado volume podemos atribuir a 
denominação de vácuo quando a densidade de partículas nele existente é inferior aquele 
que encontramos na atmosfera nas condições normais de temperatura e pressão. Por isso a 
idéia de espaço vazio está incorreta uma vez que no referido volume continuam a existir 
átomos e moléculas, entretanto, em menor número. 
As técnicas com vácuo fazem parte integrante do preparo de amostras gasosas nas 
determinações de razão isotópica de elementos leves por espectrometria de massas e da 
razão 15N/14N por espectrometria de emissão. As técnicas de alto vácuo estão também 
envolvidas na operação dos espectrômetros de massas. 
 
 
1. UNIDADES DE PRESSÃO 
 
O comportamento do gás em vácuo pode ser descrito usando o conceito de “gás 
ideal”, condições em que o volume total de todas as moléculas é desprezível comparado 
com o volume da câmera em que estão confinadas e a energia de atração entre as 
moléculas é desprezível comparada com a energia térmica média do gás. 
 
Para medir os diferentes graus de vácuo utiliza-se à pressão e não a densidade de 
partículas. Essa pressão é medida em Pascal (Pa), que é a unidade internacional de 
unidades (S.I.), mas entre seus múltiplos usa-se freqüentemente o milibar (1 mbar = 102 
Pa). 
 
1 Curso de Pós-Graduação em Energia Nuclear na Agricultura, CENA/USP, Piracicaba, maio de 2006. 
 
Técnicas com Vácuo 
 
 
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Uma atmosfera é a pressão exercida pela coluna de ar da atmosfera ao nível do mar. 
A experiência de Torricelli definiu esta pressão como sendo igual a uma coluna de 
mercúrio de 76cm. 
P= H*d*g 
onde: P- pressão; H- altura da coluna do fluido; d- densidade do fluido; g- aceleração da 
gravidade. Assim: 
1atm= 76cm*13,6g/cm3*981cm/s2 =1,013 *106 dina/cm2= 1,013 105N/m2 (Pa) 
Outras unidades de medida de pressão são usadas e constam da tabela 1. 
Tabela 1. Fatores de conversão para unidades de pressão. Unidades no SIU são Pa e kPa 
 1 Pa 1 kPa 1 mbar 1 atm 1 torr 1 mmHg 
1 Pa 1 10-3 10-2 0,987 10-5 7,5 10-3 7,5 10-3 
1 kPa 103 1 10 0,987 10-2 7,5 7,5 
1 mbar 102 10-1 1 0,987 10-3 7,5 10-1 7,5 10-1 
1 atm 1,013 105 1,013 102 1,013 103 1 7,6 102 7,6 102 
1 torr 1,333 102 1,333 10-1 1,333 1,316 10-3 1 1 
1 mmHg 1,333 102 1,333 10-1 1,333 1,316 10-3 1 1 
 
 
 Á medida que a pressão diminui, o vácuo obtido é classificado de primário, alto, 
muito alto e ultra-alto. As relações destes graus de vácuo com a pressão e outras grandezas 
físicas de interesse em vácuo estão indicadas na tabela 2. 
 
Tabela 2. Classificação e parâmetros físicos envolvidos na tecnologia de vácuo. 
Pressão 
(mbar) 
Zonas de Pressão 
 
Livre percurso médio* 
(cm) 
No de moléculas/área 
(moléculas cm-2) 
103 Pressão atmosférica 7 10-6 2 1019 
102 vácuo 7 10-3 2 1016 
10-2 Vácuo primário 7 2 1013 
10-5 Alto vácuo 7 103 2 1010 
10-8 Vácuo muito alto 7 106 2 1007 
10-11 Ultra-alto vácuo 7 109 2 1004 
* distância que uma molécula percorre entre duas colisões sucessivas. 
 
2. BOMBAS DE VÁCUO 
 
As bombas de vácuo podem ser classificadas como: 
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a. Bombas com deslocamento de gás - retiram os gases do sistema expelindo-os para a 
atmosfera 
a.1. Bombas que trabalham a partir da pressão atmosférica (bombas rotativas) 
a.2. Bombas que trabalham à pressões subatmosférica - requerem a ligação a uma 
bomba de vácuo primária para remover os gases para a atmosfera (bombas "roots" e 
bombas de vapor) 
b. Bombas de fixação - retêm os gases dentro da própria bomba. 
Para se atingir baixas pressões associam-se duas ou mais bombas de vácuo, 
constituindo, assim, sistemas ou grupos de bombeamento. 
Nas bombas mecânicas há passagem de gás da entrada para a saída provocada pela 
transferência de momento linear (energia) entre um meio motor e o gás. Ex.: bombas 
rotatórias (vácuo primário), as "roots" e bombas moleculares (alto vácuo). 
 Nas bombas de vapor o vapor de água, mercúrio ou óleo de baixa tensão de vapor é 
que arrasta as moléculas de gás da entrada para a saída da bomba. Esses tipos de bombas 
necessitam sempre de bombas primárias associadas, de modo que o vapor seja orientado no 
sentido mais conveniente à extração dos gases. 
Classificação de bombas à vapor: 
a. Ejetores de vapor - 1013 a 4.10-2mbar 
b. Difusoras - < 10-3 mbar 
c. "Booster"- 10-2 a 10-4 mbar 
A razão de compressão de uma bomba de vácuo é definida como o quociente entre 
as pressões à saída da bomba e à entrada, prestando-se como um parâmetro de 
caracterização de bombas mecânicas e de vapor. Ao contrário, nas bombas de fixação o gás 
é retirado do volume a bombear fixando-se em paredes que tem a propriedade de 
"bombear" gases, não havendo compressão do gás e este também não é expulso à 
atmosfera. As bombas de fixação atingirão uma saturação ao final de um período de 
trabalho mais ou menos longo, podendo ser regenerada. 
Os processos de fixação dependem das ligações que se estabelecem entre as 
moléculas da parede e do gás a bombear, o que faz com que o bombeamento seja seletivo. 
Processos para que ocorra a fixação, podem ser classificados em: 
a. Absorção - quando as moléculas penetram no interior da parede e ficam inclusas no 
material. Ex.: zeolita, alumina, carvão ativado. Este processo geralmente é reversível 
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b. Adsorção - uma camada de gás se deposita numa superfície estabelecendo ligações 
entre suas moléculas e a superfície. As ligações podem ser químicas (forte) ou físicas 
(fracas). 
c. Ionização - quando ocorre a ionização das moléculas seguida de penetração dos ions 
com grande energia nos materiais da parede. 
d. Condensação - ocorre a condensação das moléculas numa superfície arrefecida. 
As bombas de fixação mais utilizadas são: bombas de absorção; bombas de 
adsorção; bombas iônicas e de adsorção; bombas criogênicas. 
 
2.1. Bombas Mecânicas 
 
2.1.1. Bombas Rotatórias com Vedação a Óleo (Figuras 1 a 3) 
 Bombas rotatórias são aquelas que asseguram o vácuo primário. As bombas 
rotatórias consistem de um corpo cilíndrico (estator) e o rotor montado no centro do 
estator. Fundamentalmente são compressores que extraem os gases do sistema lançando-os 
na atmosfera. A vedação é feita com óleo que também serve como lubrificante dos 
componentes móveis. O óleo auxilia também no resfriamento da bomba, dissipando o calor 
gerado pela fricção e compressão dos gases. Os óleos usados tem tensão de vapor bastante 
baixa. As bombas rotatórias dividem-se em: 
a. Bombas de pistão rotatório 
b. Bombas de palhetas 
 b.1. duas palhetas 
 b.2. palheta simples 
Podem ainda ser de um ou dois estágios. É comum exprimir a velocidade de 
bombeamento das bombas rotatórias em L/min, podendo ter valores entre 10 a 90.000 
L/min. Bombas de um estágio atingem pressão limite de 10-1 mbar e de dois estágios de 
10-2 mbar. 
Para melhorar o bombeamento quando existem vapores, as bombas estão 
geralmente equipadas com um balastro ("gas ballast"), ou seja, uma pequena válvula de 
entrada de ar, regulável, situada numa posição que corresponde quase ao fim do ciclo, 
portanto, à fase de compressão. 
 
 
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Figura 1. Esquema de uma bomba de vácuo rotatórias com vedação a óleo 
 
 
Figura 2. Esquema emcorte de uma bomba de vácuo rotatórias com vedação a óleo 
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Figura 3. Bombas rotatórias: (a) sem balastro e (b) com balastro 
 
 
Para se entender o funcionamento do balastro, tome-se o seguinte exemplo: a 
tensão de vapor do vapor de água à temperatura do óleo da bomba em funcionamento (± 
60oC) é de 200mbar. Se a tensão de vapor de água no sistema for de 10mbar, ele não pode 
ser comprimido mais que 20 vezes senão condensa-se. Assim, é necessário introduzir pelo 
balastro quantidade suficiente de ar para que a pressão de gás à saída não se torne maior 
que 20 vezes a pressão total do gás dentro da bomba no início do ciclo. O funcionamento 
do balastro tem a desvantagem de diminuir a pressão final porque há um aumento 
inevitável de fuga de ar para a zona de baixa pressão da bomba. 
 
 
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 2.1.2. Bombas "Roots"ou "Booster" Mecânicas (Figura 4) 
São bombas formadas por dois rotores em formas de oito que rodam em eixos 
paralelos e em sentidos contrários. Nestas bombas não existem óleo de vedação o que 
permite aos rotores velocidades muito elevadas e da ordem de 500 a 3.000 rpm. 
 
 
Figura 4. Bomba “Roots” ou “Booster” mecânico 
 
 Durante o movimento, um pequeno espaçamento constante menor que 0,1 mm é 
mantido em relação a cada um dos rotores e a superfície do estator. Como não há contato 
(selagem mecânica entre as superfícies), a taxa de compressão destas bombas é baixa 
sendo dependente da pressão, geralmente da ordem de 30:1.Mas como os rotores podem 
girar em altas velocidades (3000 a 3500 rpm) sem produção de calor devido ao atrito, 
favorece a produção de rápidos deslocamentos de gás, ou seja, altas velocidades de 
bombeamento para bombas de dimensões relativamente compactas.Como as Roots 
comprime o gás e compressão produz calor, há aquecimento dos rotores e estator. Caso 
esse calor seja excessivo, pode ocorrer, devido a expansão térmica, contato entre os 
rotores, danificando a bomba. Devido a isso, as bombas Roots são usualmente operadas em 
série com as bombas rotativas que tenham aproximadamente 1/10 da velocidade das Roots. 
 
 
 2.1.3. Bombas Moleculares 
As bombas moleculares baseiam-se na transferência de energia de um rotor a 
grande velocidade para as moléculas de gás situadas entre o rotor e o estator. Às 
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moléculas é dada energia de modo que saiam do sistema a evacuar. As bombas 
moleculares dividem-se em: bombas de arrastamento molecular e bombas turbomolecular. 
 
a. Bombas de arrastamento molecular (Figura 5) 
As moléculas se deslocam do reservatório de pressão p1 para o de pressão p2 em 
virtude do movimento do rotor. Na parte superior do estator existe uma saliência em que se 
reduz ao mínimo a folga entre o rotor e o estator, evitando a passagem de gás de 2 para 1. 
Estes tipos de bomba necessitam de uma bomba de pré-vácuo. Desde que se atinja o 
regime de fluxo molecular, isto é, desde que o livre percurso médio das moléculas seja 
igual ou superior a distância rotor-estator - colisões entre moléculas e as paredes do rotor-
estator sejam muito mais freqüentes que só colisões entre moléculas - a razão de 
compressão conseguida é tão grande que o vácuo final vai ser limitado apenas por fugas 
entre as bases do rotor e as bases do cilindro e pela tensão de vapor do óleo que lubrifica o 
eixo. Nessas bombas o vácuo a ser atingido pode ser da ordem de 10-9 mbar, mas as 
velocidades de bombeamento são baixas (260 L/min). 
 
 
 
Figura 5. Bomba de arrastamento molecular 
 
 
b. Bombas Turbomolecular (Figura 6) 
 
A bomba turbomolecular é uma bomba do tipo compressão que funciona de forma 
similiar a bomba difusora. A diferença é de que ao em vez da transferência de momentum, 
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por colisões com jato ejetado a alta velocidade, no caso da bomba turbomolecular, o 
momentum é transferido por impacto das moléculas com as palhetas que giram em alta 
velocidade. Uma bomba turbomolecular moderna apresenta uma estrutura semelhante a 
uma turbina de avião a jato. Vários sistemas de palhetas são presos a um mesmo eixo 
impulsionado por um motor de alta rotação (rotor). Estes sistema movimenta a uma 
velocidade extremamente alta, maior do que 20.000 rpm, podendo chegara a 100.000 rpm. 
O outro sistema de palheta está preso a carcaça da bomba (estator). O espaçamento entre o 
estator (palheta fixa) e o rotor (palhetas móveis) é da ordem de 1 mm. 
Baseiam-se no mesmo princípio das bombas de arrastamento molecular, mas 
existem vários estágios associados. Os primeiros estágios (do lado do volume a evacuar) 
são projetados de modo a se obterem altas velocidades de bombeamento e pouca 
compressão e os últimos estágios para se obter alta compressão embora com menor 
velocidade de bombeamento. A construção destas bombas pode ser horizontal e vertical. O 
rotor é formado por um grande número de discos com fendas oblíquas. Este rotor trabalha 
dentro de um estator com discos semelhantes. 
As bombas turbomolecular necessitam de uma bomba de apoio, geralmente uma 
bomba rotativa de palhetas, que é conectada ao lado da alta pressão, visto que a pressão de 
saída deve ser mantida a baixa pressão. Como a transferência de momentum depende da 
massa da molécula gasosa, a taxa de compressão também depende do gás a ser bombeado. 
A taxa de compressão das bombas turbomoleculares podem cheqar a 109. Uma bomba 
típica que tenha taxa de compressão 109 para N2, terá uma taxa de 103 para H2. 
 
 2.2. Bombas de Vapor 
 
2.2.1. Ejetor de vapor (Trompa) (Figura 7 e 8) 
O gás a bombear é arrastado por um jato de fluido, em geral vapor de água, dando-
se a transferência de energia entre a corrente de vapor e o gás. 
 
 
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Figura 6. Esquema de uma Bomba turbomolecular Edwards 
 
 
Figura 7. Trompa hidráulica 
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Figura 8. Bomba: Ejetor de vapor 
 
 
2.2.2. Bombas de Difusão (Figura 9) 
Uma bomba difusora é constituída por um invólucro cilíndrico dentro do qual 
existem um vaporizador para o líquido da bomba e sobre este uma chaminé que conduz o 
vapor aos vários andares de ejetores. As moléculas do vapor do fluido ao saírem dos 
ejetores arrastam as moléculas do gás existente dentro da bomba para baixo e de encontro 
às paredes da bomba. Como estas são arrefecidas, por circulação de água ou ar, dá-se a 
condensação do fluido que volta ao vaporizador. O gás arrastado é comprimido na parte 
inferior de onde é retirado pela bomba rotatória associada à bomba de difusão. 
O vácuo atingido por estas bombas é determinado pela tensão de vapor do fluido da 
bomba. Os fluidos utilizados em bombas de difusão são: mercúrio (Hg) ou óleos especiais 
de muito baixa tensão de vapor. Quando se usa o mercúrio é necessário colocar uma 
armadilha criogênica ("trap") de nitrogênio líquido entre a bomba e o volume a bombear 
para condensar o vapor de Hg, visto que a tensão de vapor de mercúrio à temperatura 
ambiente (20oC) é de aproximadamente 10-3 mbar. 
Na associação: bomba de pré-vácuo (rotatória) e bomba de difusão, esta última 
nunca deve ser ligada sem que se estabeleça antes um vácuo primário de 10-1 mbar, caso 
contrário, o óleo ou mercúrio oxidam-se devido ao aquecimento na presença do ar. 
 
 
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Figura 9. Bomba difusora a vapor de óleo ou mercúrio 
 
 
Ao desligar uma bomba de difusão deve-se isolar a parte em alto vácuo e deixar 
bombear com a bomba rotatória durante algum tempo, para que todo o óleo retorne a parteinferior da bomba difusora. 
No dimensionamento de uma linha de alto vácuo com bomba de difusão é 
necessário não esquecer da armadilha criogênica ("trap") acima desta e que introduz uma 
redução, por vezes, na velocidade de bombeamento. Devem ainda as bombas difusoras 
estar protegidas contra a falta do fluido de bombeamento e de água de arrefecimento. 
 
2.2.3. Bombas "Booster"- Bombas de difusão com ejetor (Figura 10) 
Este tipo de bomba resulta da associação de estágios de difusão com um estágio 
final ejetor e um condensador. São usadas a partir de 1 mbar até 10-4 mbar e atingem a 
velocidade de bombeamento máximo na região de 10-2 a 10-4 mbar. As velocidades de 
bombeamento podem chegar a 23.000 l/s. A pressão necessária para o funcionamento da 
bomba varia entre 3 e 8 mbar, podendo ser assegurada por uma bomba rotatória de 
pequeno deslocamento. 
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Figura 10. Bomba “Booster” – bomba de difusão com ejetor 
 
 
 2.3. Bombas de Fixação 
 
2.3.1. Bombas de absorção 
As bombas de absorção podem ser usadas em substituição as bombas rotatórias 
para se obter pré-vácuo. São construídas por vasos cheios de um material absorvente: 
zeolitas ou carvão ativado. Os vasos contendo os crivos de material absorvente são imersos 
em N2 liqüefeito e depois de um período de tempo (15 minutos), os vasos são ligados ao 
sistema a bombear. 
A velocidade de bombeamento é função da quantidade de absorvente no vaso e do 
uso anterior do material absorvente. Quando os crivos de material absorvente ficam 
saturados, o gás absorvido terá que ser eliminado para que se possa fazer novos 
bombeamentos. A regeneração do absorvente é feita deixando a bamba voltar a 
temperatura ambiente. Algumas vezes é necessário reativar os crivos moleculares fazendo 
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um aquecimento de cerca de 300oC durante algumas horas para eliminar principalmente o 
vapor de água absorvido. 
As vantagens destas bombas sobre as rotatórias são a produção de um vácuo limpo, 
sem contaminação por óleo e a ausência de vibração no sistema de vácuo. 
 
 2.3.2. Bombas de adsorção 
 a. Bombas de sublimação de titânio 
O titânio ou algumas vezes o zircônio é evaporado por aquecimento numa câmara a 
pressões inferiores a 10-2 mbar e vai se depositar nas paredes da câmara que estão 
resfriadas. O bombeamento é causado pela propriedade do titânio em se combinar 
quimicamente com gases ativos como o nitrogênio, oxigênio, hidrogênio, dióxido de 
carbono, vapor de água e monóxido de carbono, mas não se combinando com os gases 
inertes, como o hélio, neônio, argônio criptônio e xenônio, além de hidrocarbonetos 
saturados. Assim, deve esta bomba estar associada com outro tipo de bomba que pode ser 
rotatória, de difusão ou iônica. Estas bombas são usadas entre 10-3 e 10-11 mbar. 
Além do titânio e zircônio outros materiais como o bário, cálcio, magnésio e 
alumínio podem ser usados como adsorventes. 
b. Bombas de adsorção sem evaporação 
Ligas de alumínio e zircônio são adsorventes à temperatura de 400oC. Desse modo, 
recipientes revestidos com a liga são utilizados como bombas de adsorção. Pode-se 
regenera-las também pelo aquecimento a 750oC, quando os gases migram para o interior da 
liga ficando a superfície, novamente, em condições de adsorver mais gases. 
 
2.3.3. Bombas iônicas e de adsorção (Figura 11) 
Nestes tipos de bombas as moléculas do gás são primeiramente ionizadas e depois 
aceleradas para superfícies revestidas com titânio onde são adsorvidas facilmente. Os ions 
são obtidos normalmente por descarga fria também conhecida por descarga "Penning". 
 
2.3.4. Bombas criogênicas 
O funcionamento destas bombas baseia-se na introdução de uma superfície 
arrefecida a temperatura muito baixa no volume a bombear. Os gases existentes nesse 
volume são condensados até atingirem pressões da ordem das suas tensões de vapor à 
temperatura da superfície. 
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Utilizando nitrogênio líquido (77oK) para arrefecer a superfície, consegue-se um 
aumento muito grande da velocidade de bombeamento, pois uma parte dos gases residuais 
são condensáveis a essa temperatura. Consegue-se um bombeamento eficaz do vapor 
d’água, mas a velocidade de bombeamento é muito baixa para o oxigênio e nula para o 
nitrogênio, hidrogênio e outros gases. Pode-se ainda usar o hélio líquido (4,2oK). A Figura 
12 mostra a região de trabalho de diferentes tipos de bombas de vácuo. 
 
 
 
Figura 11. Bomba iônica 
 
Técnicas com Vácuo 
 
 
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Tipo de Bomba Pressão em mm Hg 
 760 101 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11 
Jato de água 
Bomba rotatória, 1 estágio 
Bomba rotatória, 2 estágio 
Bomba de absorção 
Bomba Toepler 
Bomba “roots” 
Bomba Difusora 
Bomba Iônica 
Bomba Criogênica 
Bomba Turbomolecular 
 
Figura 12. Região de trabalho de diversas bombas de vácuo 
 
 
 
3. MEDIDA DE BAIXA PRESSÃO - VACUÔMETROS 
 
As medidas de pressões inferiores à pressão atmosférica são, em geral, difíceis e 
por vezes sujeitas a grandes erros. Excluindo os vacuômetros de mercúrio e os mecânicos, 
todos os outros tipos respondem de maneira diferente aos vários gases e vapores e o valor 
determinado vai depender da pressão e da composição química da atmosfera residual. 
 
3.1. Tubos em "U" 
 
O vacuômetro mais simples para se medir pressões subatmosféricas é o tubo em 
"U" com mercúrio. 
No tubo em "U" aberto a pressão do sistema será dada pela diferença entre a 
pressão atmosférica e a coluna de mercúrio do manômetro acoplado ao sistema com vácuo. 
Mede-se com ele pressões da atmosfera (760 mm Hg) a 0.5mmHg. 
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No tubo em "U" fechado a diferença de níveis do mercúrio nos dois ramos do tubo 
dá diretamente a pressão em mm de Hg no sistema. Com estes vacuômetros consegue-se 
ler pressões de até 0,1mmHg. 
 
 3.2. Vacuômetros de McLeod ou de Compressão (Figura 13) 
 
Quando a variação da coluna de mercúrio num tubo em "U" é muito pequena, ou 
seja, para pressões inferiores a 0,1mm Hg, as leituras são extremamente difíceis. Pode-se 
no entanto comprimir o gás residual de um volume relativamente grande, num volume 
menor de modo a obter-se uma pressão susceptível de ser medida com uma coluna de 
mercúrio. Sabendo-se a razão de compressão é possível calcular a pressão inicial. Os 
vacuômetros de MacLeod baseiam-se neste princípio e são construídos em vidro. Estes 
tipos de vacuômetros são em geral usados como padrão para pressões da ordem de 10-2 a 
10-6 mbar. 
Para medir a pressão liga-se o "McLeod ao sistema com vácuo através da torneira 
T2. Ligando a torneira T1 para a atmosfera o mercúrio sobe imediatamente e quando tapa a 
bifurcação correspondente ao nível indicado pelo tracejado na Figura 13 passa a comprimir 
o gás contido no volume V, que ao início está na pressão pi. Faz-se com que o mercúrio 
atinja o ramo aberto C a mesma altura do cimo de B Como C e B são capilares com o 
mesmo diâmetro, os efeitos de capilaridade são iguais. 
Pela lei de Boyle-Mariotte: 
pi * Vi = pf * Vf .............................................. (1) 
onde, p e V são pressão e volume; os índices i e f significam inicial e final, 
respectivamente. 
pf = ∆h + pi ..................................................... (2) 
Vf = ∆h * A .................................................... (3) 
onde : ∆h = diferença de altura nas colunas de mercúrio; A = é a secção do capilar, valor 
conhecido. Assim substituindo 2 e 3 em 1, tem-se: 
pi * Vi = (∆h + pi) * ∆h * A 
pi* Vi = (∆h)2 * A + pi * ∆h * A 
pi * Vi - pi * ∆h * A = (∆h)2 * A 
pi ( Vi - ∆h * A) = (∆h)2 * A 
pi = (∆h)2 * {A/ [Vi -(∆h * A)] 
Técnicas com Vácuo 
 
 
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Como Vi >> ∆h*A 
pi = (∆h)2 *( A/Vi ) 
onde a razão A/Vi é uma constante do aparelho. 
Para A/Vi = 6,25 10-7 mm-1 tem-se: 
 
______________________________________________________________ 
∆h (mm) (∆h)2 p (mmHg) 
______________________________________________________________ 
 
4 16 10-5 
12,6 160 10-4 
40 1600 10-3 
______________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
Figura 13. Vacuômetro de McLeod ou de compressão 
 
Técnicas com Vácuo 
 
 
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3.3. Vacuômetros Mecânicos 
 
3.3.1. Vacuômetro de Bordon (Figura 14) 
Estes aparelhos baseiam-se no mesmo princípio que os barômetros atmosféricos de 
Bourdon e são construídos com um tubo em forma de arco flexível, fechado numa 
extremidade e ligado ao sistema de vácuo na outra. 
A curvatura do tubo varia com a pressão e estas variações são indicadas num 
mostrador por meio de um ponteiro ligado à extremidade fechada. 
Tratam-se de aparelhos pouco precisos e são usados na região correspondente ao 
vácuo primário. São calibrados nos intervalos de 0-25; 0-50; 0-125 e 0-1000 mbar, com 
precisão de 5%. 
 
 
Figura 14. Manômetro de Bourdon para medidas de pressão subatmosféricas 
 
 
 3.3.2. Vacuômetros de membrana 
 Este tipo de vacuômetro mede mecânica ou eletricamente a deformação de 
uma membrana metálica em contato com o sistema de vácuo. No primeiro caso a 
membrana é ligada diretamente a um ponteiro. No método elétrico mede-se a variação da 
capacidade do condensador formado pelo diafragma e uma placa, utilizando uma ponte de 
capacidades. 
 
 
 
 
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 3.4. Vacuômetros de Condutividade Térmica 
 
À baixas pressões, a condutividade térmica do gás residual é dependente da 
pressão, e como tal pode ser usada para medidas de vácuo. 
 
3.4.1. Medidores Pirani (Figura 15) 
Este tipo de medidor é formado por um tubo metálico ou de vidro, e um filamento 
aquecido instalado no centro tubo. Mede-se a variação da resistência deste filamento que 
está a temperatura de 120oC. A remoção do calor do filamento faz-se por meio dos átomos 
e moléculas que colidem com o filamento. estes recebem energia térmica do filamento e 
perdem-na em choques com a parede de tubo que está a temperatura mais baixa. A perda 
de calor pelo filamento é função do número de moléculas presentes, e portanto, da pressão. 
Em geral, o filamento faz parte de uma ponte de resistência e avariação da 
resistência é medida pelo desequilíbrio da ponte. 
Medidores Pirani medem pressões até 10-3 a 10-4 mbar. 
 
 
Figura 15. Esquema de um sensor de vácuo tipo Pirani 
 
 
3.4.2. Medidores tipo Termopar (Figura 16) 
Técnicas com Vácuo 
 
 
21
 
Nestes aparelhos a variação de temperatura de um filamento é medida diretamente 
por um termopar. Os termopares são menos frágeis que o Pirani, mas são menos sensíveis. 
 
 
 
 
 
Figura 16. Esquema de um sensor de vácuo tipo termopar 
 
 
3.5. Vacuômetro de ionização 
 
Estes medidores de vácuo baseiam-se na medida do número de íons formados pelo 
bombardeamento de elétrons do gás residual num sistema, sendo o número de íons 
proporcional a pressão. São em geral utilizados para medir pressões de 10-2 -10-11 mbar. Os 
dois tipos mais conhecidos são os vacuômetros de cátodo quente (Figura 17) e o Penning 
ou Philips (Figura 18). 
O cátodo quente possui um filamento, uma grade e um coletor de íons, que gera a 
corrente proporcional à pressão. A diferença de potencial entre o filamento e a grade 
promove uma descarga elétrica de potencial em geral menor que 150V, quando ocorre a a 
maior ionização. 
Técnicas com Vácuo 
 
 
22
 
O Penning é um manômetro de cátodo frio, onde a descarga elétrica se dá entre o 
cátodo e o ânodo diretamente, que estão com uma diferença de potencial da ordem de 
2.000V. A presença de um campo magnético assegura a eficiência de ionização. 
A Figura 19 ilustra as zonas de pressão de atuação para os medidores de vácuo. 
 
 
 
Figura 17. Esquema de um sensor de vácuo tipo catodo quente 
 
 
Técnicas com Vácuo 
 
 
23
 
 
Figura 18. Esquema de um sensor de vácuo tipo catodo frio: Penning ou Philips 
 
Tipo de medidor Pressão em mm Hg 
 760 101 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11 
Tubo em U aberto 
Tubo em U fechado 
Vocuômetro de Bourdon 
Vocuômetro de Membrana 
Vocuômetro de Mcleoud 
Pirani/Termopar 
Penning 
 
Figura 19. Região de trabalho de diversas medidores de vácuo 
 
 
 
4. MATERIAIS USADOS EM SISTEMAS DE VÁCUO 
 
Os materiais usados em linhas de vácuo devem ter as seguintes características: 
sustentar o vácuo, baixa taxa de desgaseificação e ser inerte quimicamente. Os materiais 
que atendem essas características são vidro, alguns metais, cerâmicas e elastômeros. 
Entende-se por taxa de desgaseificação a quantidade de gás liberado por segundo e 
por cm2 de superfície de um material sob condições de vácuo. 
O vidro é predominantemente usado na maioria dos sistemas. As vantagens dos 
vidros são a transparência, baixa taxa de desgaseificação propriedade de isolante elétrico e 
são inertes quimicamente. 
O melhor metal para técnicas com vácuo é o aço inoxidável. O aço inoxidável 
possui muito baixa taxa de desgaseificação e baixa porosidade, sendo inerte ao ataque de 
ácido; é fácil de ser limpo, polido e assim reduzindo a área real de superfície; alto vácuo é 
prontamente obtido. Podem ainda ser usado o cobre, latão e o alumínio. Aço coberto por 
níquel diminui a taxa de desgaseificação e protege contra corrosão. O cobre raramente é 
usado por ser mole, sendo fácil de usinar, podendo ser usado na forma de longos tubos de 
conexão. O latão é fácil de usinar mas só é usado se recoberto com níquel devido a sua 
Técnicas com Vácuo 
 
 
24
 
elevada taxa de deseigasificação. Alumínio endurecido pode ser usado em aparelhos com 
vácuo não muito elevado. 
Muitas partes de vidro de linhas de vácuo são disponíveis comercialmente em 
muitas formas e tamanhos (torneiras, juntas, balões etc). Com um pouco de experiência em 
manipulação com vidro (“glass blowing”) tais partes podem ser facilmente ligadas 
(soldadas). O vidro Pyrex é o preferido (80,5 % de SiO2; 12,9 %de B2O3; 3,8 % Na2O; 2,2 
% de Al2O3 e 0,4 % de K2O). Em algumas linhas especiais com fornos que serão aquecidos 
a temperaturas superiores ao ponto de fusão do vidro (600oC) pode-se usar o quartzo 
(ponto de fusão de 1.800 oC). 
 Outros materiais como a cerâmica e a alumina são usados como isolante térmico 
em equipamentos de vácuo. Elastômeros (viton, fluorel) são freqüentemente usados em 
juntas desmontáveis. 
 
 
5. DETECÇÃO DE VAZAMENTOS EM LINHAS DE VÁCUO 
 
Um grande problema das técnicas com vácuo é assegurar que os equipamentos 
sejam resistentes ao vácuo, ou seja, mantenham o vácuo. Considera-se que um sistema é 
resistente ao vácuo, quando a taxa de desgaseificação ou de vazamento esteja entre 10-5 a 
10-6 torr.L.s-1. Assim, por exemplo, se após evacuar um sistema de volume de 1 L, a leitura 
do vacuômetro indicou 1.10-3 torr, e o mesmo após ficar fechado por 2 minutos indicou 
uma pressão de 2.10-3 torr, a taxa de desgaseificação ou de vazamento será de 8.4 10-6 torr. 
L. s-1, sendo o sistema considerado resistente ao vácuo. 
Em linhas de alto vácuo usa-se para detecção de vazamentos um dispositivo 
denominadode Bobina Tesla que dá uma descarga elétrica de alta freqüência ionizando o 
ar. Acionando a bobina próximo às paredes da linha de vácuo a descarga deixará as 
moléculas de ar ionizada e indicará o ponto em que está ocorrendo um vazamento. 
 
 
6. LINHA DE ALTO VÁCUO PARA PREPARO DE AMOSTRAS DE N2 PARA 
ANÁLISE DE 15N POR ESPECTROMETRIA DE MASSAS OU DE EMISSÃO 
 
Uma linha de vácuo pode ser construída de vidro Pyrex. Basicamente ela possui 
uma bomba mecânica de dois estágios para o vácuo primário, uma bomba difusora à óleo 
Técnicas com Vácuo 
 
 
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acompanhada de bomba de criogênica (arrefecida com nitrogênio liqüefeito) para o 
secundário; um medidor de vácuo tipo Pirani, juntas tipo Cajon. 
A bomba difusora possui um desvio (“bypass”) que faz com que ela nunca fique 
sob alta pressão enquanto aquecida. Para reforçar o vácuo na linha e também proteger a 
região da mesma, contra vapores de óleo da bomba difusora, onde é feito vácuo nas 
amostras, um “trap” criogênico com N2 líquido é incluído. 
 
 
7. REFERÊNCIAS 
 
FIEDLER, R.; PROKSCH, G. The determination of nitrogen-15 by emission and mass 
spectrometry in biochemical analysis: A review. Analytica Chimica Acta, v.78, p.1-
62, 1975. 
MOUTINHO, A.M.C.; SILVA, M.E.S.F.; CUNHA, M.E.C.M. Bombas de vácuo. In: 
Tecnologia de Vácuo. Universidade Nova Lisboa, Lisboa, s.d., p. 53-99. 
MOUTINHO, A.M.C.; SILVA, M.E.S.F.; CUNHA, M.E.C.M. Medidas de Pressão. In: 
Tecnologia de Vácuo. Universidade Nova Lisboa, Lisboa, s.d., p. 111-129. 
PRESTON, C.M. Optical Emission Spectrometry. In: In: KNOWLES, R.; BLACKBURN, 
T.H. Eds. Nitrogen Isotope Techiniques. Academic Press, San Diego, 1993, p.59-
87. 
YARWOOD, J. High Vaccum Technique. John Willey & Sons, New York, 1955, 208p.